Mēs iepazīstināsim ar “ūdeņradi” – nākamās paaudzes enerģiju, kas ir oglekļa neitrāla. Ūdeņradis ir iedalīts trīs veidos: “zaļais ūdeņradis”, “zilais ūdeņradis” un “pelēkais ūdeņradis”, katram no tiem ir atšķirīga ražošanas metode. Mēs arī izskaidrosim katru ražošanas metodi, elementu fizikālās īpašības, uzglabāšanas/transportēšanas metodes un lietošanas metodes. Un es arī pastāstīšu, kāpēc tas ir nākamās paaudzes dominējošais enerģijas avots.
Ūdens elektrolīze zaļā ūdeņraža ražošanai
Izmantojot ūdeņradi, jebkurā gadījumā ir svarīgi “ražot ūdeņradi”. Vienkāršākais veids ir “elektrolizēt ūdeni”. Varbūt jūs to darījāt pamatskolas dabaszinībās. Piepildiet vārglāzi ar ūdeni un ievietojiet elektrodus ūdenī. Kad elektrodiem pievieno bateriju un aktivizē to, ūdenī un katrā elektrodā notiek šādas reakcijas.
Katodā H+ un elektroni apvienojas, veidojot ūdeņraža gāzi, savukārt anods ražo skābekli. Tomēr šī pieeja ir piemērota skolu dabaszinību eksperimentiem, taču, lai ražotu ūdeņradi rūpnieciski, ir jāsagatavo efektīvi mehānismi, kas piemēroti liela mēroga ražošanai. Tā ir “polimēru elektrolīta membrānas (PEM) elektrolīze”.
Šajā metodē starp anodu un katodu tiek ievietota polimēra puscaurlaidīga membrāna, kas ļauj ūdeņraža joniem iziet. Kad ierīces anodā ielej ūdeni, elektrolīzes rezultātā radušies ūdeņraža joni caur puscaurlaidīgu membrānu pārvietojas uz katodu, kur tie kļūst par molekulāro ūdeņradi. Savukārt skābekļa joni nevar iziet cauri puscaurlaidīgai membrānai un pie anoda kļūst par skābekļa molekulām.
Arī sārmainā ūdens elektrolīzē, atdalot anodu un katodu caur separatoru, caur kuru var iziet tikai hidroksīda joni, tiek iegūts ūdeņradis un skābeklis. Turklāt pastāv arī rūpnieciskas metodes, piemēram, augstas temperatūras tvaika elektrolīze.
Veicot šos procesus plašā mērogā, var iegūt lielu daudzumu ūdeņraža. Šajā procesā tiek saražots arī ievērojams daudzums skābekļa (puse no saražotā ūdeņraža tilpuma), tāpēc, nonākot atmosfērā, tam nebūtu negatīvas ietekmes uz vidi. Tomēr elektrolīzei ir nepieciešams daudz elektroenerģijas, tāpēc bezoglekļa ūdeņradi var ražot, ja to ražo ar elektroenerģiju, kas neizmanto fosilo kurināmo, piemēram, vēja turbīnas un saules paneļus.
“Zaļo ūdeņradi” var iegūt, elektrolizējot ūdeni, izmantojot tīru enerģiju.
Šī zaļā ūdeņraža ražošanai lielos apjomos ir arī ūdeņraža ģenerators. Izmantojot PEM elektrolizatora sekcijā, ūdeņradi var ražot nepārtraukti.
Zilais ūdeņradis, kas ražots no fosilā kurināmā
Tātad, kādi ir citi veidi, kā iegūt ūdeņradi? Ūdeņradis pastāv fosilajā kurināmajā, piemēram, dabasgāzē un oglēs, kā vielas, kas atšķiras no ūdens. Piemēram, apsveriet metānu (CH4), kas ir galvenā dabasgāzes sastāvdaļa. Šeit ir četri ūdeņraža atomi. Ūdeņradi var iegūt, atdalot šo ūdeņradi.
Viens no tiem ir process, ko sauc par "tvaika metāna reformēšanu", kurā izmanto tvaiku. Šīs metodes ķīmiskā formula ir šāda.
Kā redzat, no vienas metāna molekulas var iegūt oglekļa monoksīdu un ūdeņradi.
Tādā veidā ūdeņradi var ražot, izmantojot tādus procesus kā dabasgāzes un ogļu “tvaika reformēšana” un “pirolīze”. “Zilais ūdeņradis” attiecas uz šādā veidā ražotu ūdeņradi.
Tomēr šajā gadījumā kā blakusprodukti rodas oglekļa monoksīds un oglekļa dioksīds. Tāpēc tie ir jāpārstrādā, pirms tie nonāk atmosfērā. Blakusprodukts oglekļa dioksīds, ja to neatgūst, kļūst par ūdeņraža gāzi, kas pazīstama kā "pelēkais ūdeņradis".
Kāda veida elements ir ūdeņradis?
Ūdeņraža atomskaitlis ir 1, un tas ir pirmais elements periodiskajā tabulā.
Atomu skaits ir vislielākais Visumā, veidojot aptuveni 90% no visiem Visuma elementiem. Mazākais atoms, kas sastāv no protona un elektrona, ir ūdeņraža atoms.
Ūdeņradim ir divi izotopi, kuru kodolam ir piesaistīti neitroni. Viens ar neitroniem saistīts “deitērijs” un divi ar neitroniem saistīts “tritijs”. Tie ir arī materiāli kodolsintēzes enerģijas ražošanai.
Zvaigznes, piemēram, Saules, iekšienē notiek kodolsintēze no ūdeņraža līdz hēlijam, kas ir enerģijas avots, lai zvaigzne spīdētu.
Tomēr ūdeņradis uz Zemes gāzes veidā pastāv reti. Ūdeņradis veido savienojumus ar citiem elementiem, piemēram, ūdeni, metānu, amonjaku un etanolu. Tā kā ūdeņradis ir viegls elements, paaugstinoties temperatūrai, palielinās ūdeņraža molekulu kustības ātrums, un tās izkļūst no Zemes gravitācijas kosmosā.
Kā lietot ūdeņradi? Izmantošana sadegšanas ceļā
Tad kā tiek izmantots “ūdeņradis”, kas ir piesaistījis pasaules uzmanību kā nākamās paaudzes enerģijas avots? To izmanto divos galvenajos veidos: “sadegšanā” un “degvielas elementā”. Sāksim ar “sadegšanas” izmantošanu.
Tiek izmantoti divi galvenie sadegšanas veidi.
Pirmais ir kā raķešu degviela. Japānas H-IIA raķete kā degvielu izmanto ūdeņraža gāzi “šķidro ūdeņradi” un “šķidro skābekli”, kas arī ir kriogēnā stāvoklī. Šie divi ir apvienoti, un tajā laikā radītā siltumenerģija paātrina radīto ūdens molekulu iesmidzināšanu, kas aizlido kosmosā. Tomēr, tā kā tas ir tehniski sarežģīts dzinējs, izņemot Japānu, tikai Amerikas Savienotās Valstis, Eiropa, Krievija, Ķīna un Indija ir veiksmīgi apvienojušas šo degvielu.
Otrais ir enerģijas ražošana. Gāzes turbīnu enerģijas ražošanā arī tiek izmantota ūdeņraža un skābekļa apvienošanas metode, lai radītu enerģiju. Citiem vārdiem sakot, tā ir metode, kas aplūko ūdeņraža saražoto siltumenerģiju. Termoelektrostacijās siltums, kas rodas, sadedzinot ogles, naftu un dabasgāzi, rada tvaiku, kas darbina turbīnas. Ja kā siltuma avotu izmanto ūdeņradi, elektrostacija būs oglekļa neitrāla.
Kā izmantot ūdeņradi? Izmanto kā degvielas elementu
Vēl viens veids, kā izmantot ūdeņradi, ir kā degvielas elements, kas ūdeņradi tieši pārvērš elektrībā. Jo īpaši Toyota ir piesaistījusi uzmanību Japānā, reklamējot ar ūdeņradi darbināmus transportlīdzekļus elektrisko transportlīdzekļu (EV) vietā kā alternatīvu benzīna transportlīdzekļiem, kā daļu no saviem globālās sasilšanas apkarošanas pasākumiem.
Konkrēti, ieviešot "zaļā ūdeņraža" ražošanas metodi, mēs veicam apgrieztu procedūru. Ķīmiskā formula ir šāda.
Ūdeņradis var radīt ūdeni (karstu ūdeni vai tvaiku), vienlaikus ražojot elektroenerģiju, un to var novērtēt, jo tas nerada slodzi videi. No otras puses, šai metodei ir relatīvi zema enerģijas ražošanas efektivitāte – 30–40 %, un tai kā katalizatoram ir nepieciešams platīns, tādējādi palielinot izmaksas.
Pašlaik mēs izmantojam polimēru elektrolīta degvielas elementus (PEFC) un fosforskābes degvielas elementus (PAFC). Jo īpaši PEFC tiek izmantots degvielas elementu transportlīdzekļos, tāpēc var sagaidīt, ka tas nākotnē izplatīsies.
Vai ūdeņraža uzglabāšana un transportēšana ir droša?
Domājam, ka tagad jūs saprotat, kā tiek ražota un izmantota ūdeņraža gāze. Tātad, kā jūs uzglabājat šo ūdeņradi? Kā jūs to nogādājat tur, kur jums tas nepieciešams? Kā ar drošību tajā laikā? Mēs paskaidrosim.
Patiesībā arī ūdeņradis ir ļoti bīstams elements. 20. gadsimta sākumā mēs izmantojām ūdeņradi kā gāzi, lai debesīs pārvadātu balonus, gaisa balonus un dirižabļus, jo tas bija ļoti viegls. Tomēr 1937. gada 6. maijā Ņūdžersijā, ASV, notika "dirižabļa Hindenburga sprādziens".
Kopš negadījuma ir plaši atzīts, ka ūdeņraža gāze ir bīstama. Īpaši aizdegoties, tā vardarbīgi eksplodēs kopā ar skābekli. Tāpēc ir svarīgi ievērot norādījumus “sargāt no skābekļa” vai “sargāt no karstuma”.
Pēc šo pasākumu veikšanas mēs izstrādājām piegādes metodi.
Ūdeņradis istabas temperatūrā ir gāze, tāpēc, lai gan tas joprojām ir gāze, tas ir ļoti apjomīgs. Pirmā metode ir gāzētu dzērienu pagatavošanā izmantot augstu spiedienu un saspiest to kā cilindru. Sagatavojiet īpašu augstspiediena tvertni un uzglabājiet to augsta spiediena apstākļos, piemēram, 45 MPa.
Toyota, kas izstrādā degvielas šūnu transportlīdzekļus (FCV), izstrādā no sveķiem izgatavotu augstspiediena ūdeņraža tvertni, kas spēj izturēt 70 MPa spiedienu.
Vēl viena metode ir atdzesēt līdz -253°C, lai iegūtu šķidru ūdeņradi, un uzglabāt un transportēt to īpašās siltumizolētās tvertnēs. Līdzīgi kā LNG (sašķidrinātā dabasgāze), kad dabasgāze tiek importēta no ārzemēm, ūdeņradis transportēšanas laikā tiek sašķidrināts, samazinot tā tilpumu līdz 1/800 no tā gāzveida stāvokļa. 2020. gadā mēs pabeidzām pasaulē pirmo šķidrā ūdeņraža nesēju. Tomēr šī pieeja nav piemērota degvielas elementu transportlīdzekļiem, jo to atdzesēšanai nepieciešams daudz enerģijas.
Ir uzglabāšanas un transportēšanas metode šādās tvertnēs, taču mēs izstrādājam arī citas ūdeņraža uzglabāšanas metodes.
Uzglabāšanas metode ir ūdeņraža uzglabāšanas sakausējumu izmantošana. Ūdeņradim piemīt spēja iekļūt metālos un tos sabojāt. Šis attīstības padoms tika izstrādāts Amerikas Savienotajās Valstīs 20. gs. sešdesmitajos gados. Dž. Dž. Reilijs un līdzautori. Eksperimenti ir parādījuši, ka ūdeņradi var uzglabāt un atbrīvot, izmantojot magnija un vanādija sakausējumu.
Pēc tam viņš veiksmīgi izstrādāja vielu, piemēram, pallādiju, kas var absorbēt ūdeņradi 935 reizes vairāk nekā tā paša tilpums.
Šī sakausējuma izmantošanas priekšrocība ir tā, ka tas var novērst ūdeņraža noplūdes negadījumus (galvenokārt sprādzienus). Tāpēc to var droši uzglabāt un transportēt. Tomēr, ja neesat uzmanīgs un atstājat to nepareizā vidē, ūdeņraža uzglabāšanas sakausējumi laika gaitā var izdalīt ūdeņraža gāzi. Pat neliela dzirkstele var izraisīt sprādzienu, tāpēc esiet uzmanīgi.
Tam ir arī trūkums, ka atkārtota ūdeņraža absorbcija un desorbcija noved pie trausluma un samazina ūdeņraža absorbcijas ātrumu.
Otra iespēja ir izmantot caurules. Pastāv nosacījums, ka tām jābūt nesaspiestām un ar zemu spiedienu, lai novērstu cauruļu trauslumu, taču priekšrocība ir tā, ka var izmantot esošās gāzes caurules. Tokyo Gas veica Harumi FLAG būvniecības darbus, izmantojot pilsētas gāzes cauruļvadus, lai piegādātu ūdeņradi degvielas elementiem.
Nākotnes sabiedrība, ko rada ūdeņraža enerģija
Visbeidzot, aplūkosim ūdeņraža iespējamo lomu sabiedrībā.
Vēl svarīgāk ir tas, ka mēs vēlamies veicināt oglekļa nesaturošu sabiedrību, mēs izmantojam ūdeņradi elektroenerģijas, nevis siltumenerģijas ražošanai.
Lielu siltumenerģijas elektrostaciju vietā dažas mājsaimniecības ir ieviesušas tādas sistēmas kā ENE-FARM, kas nepieciešamās elektroenerģijas ražošanai izmanto ūdeņradi, kas iegūts, reformējot dabasgāzi. Tomēr jautājums par to, ko darīt ar reformēšanas procesa blakusproduktiem, paliek neatbildēts.
Nākotnē, ja palielināsies pati ūdeņraža aprite, piemēram, palielinot ūdeņraža uzpildes staciju skaitu, būs iespējams izmantot elektrību, neizdalot oglekļa dioksīdu. Elektrība, protams, ražo zaļo ūdeņradi, tāpēc tā izmanto no saules gaismas vai vēja saražoto elektrību. Elektrolīzē izmantotajai enerģijai vajadzētu būt jaudai, lai samazinātu ģenerētās enerģijas daudzumu vai uzlādētu uzlādējamo akumulatoru, kad ir dabiskās enerģijas pārpalikums. Citiem vārdiem sakot, ūdeņradis atrodas tādā pašā pozīcijā kā uzlādējamais akumulators. Ja tas notiks, galu galā būs iespējams samazināt siltumenerģijas ražošanu. Diena, kad iekšdedzes dzinējs pazudīs no automašīnām, strauji tuvojas.
Ūdeņradi var iegūt arī citā veidā. Patiesībā ūdeņradis joprojām ir kaustiskās sodas ražošanas blakusprodukts. Cita starpā tas ir koksa ražošanas blakusprodukts dzelzs ražošanā. Ja jūs nodosiet šo ūdeņradi sadales sistēmā, jūs varēsiet iegūt vairākus avotus. Šādā veidā ražoto ūdeņraža gāzi piegādā arī ūdeņraža stacijas.
Ieskatīsimies tālākā nākotnē. Zaudētās enerģijas daudzums ir arī problēma ar pārraides metodi, kurā enerģijas piegādei tiek izmantoti vadi. Tāpēc nākotnē mēs izmantosim pa cauruļvadiem piegādāto ūdeņradi, tāpat kā ogļskābes tvertnes, ko izmanto gāzēto dzērienu ražošanā, un iegādāsimies ūdeņraža tvertni mājās, lai ražotu elektroenerģiju katrai mājsaimniecībai. Mobilās ierīces, kas darbojas ar ūdeņraža akumulatoriem, kļūst par ikdienu. Būs interesanti redzēt šādu nākotni.
Publicēšanas laiks: 2023. gada 8. jūnijs
